《Applied Sciences》：Dynamic Sliding Behavior of Sand-Filled Rock Joints Under Impact Loading: Evolution of Particle-Size Effects
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摘要
块状岩体在冲击扰动作用下易沿充砂节理发生动态滑动。节理法向约束和充填颗粒粒径共同影响其稳定性。为确定轴向荷载和颗粒粒径对动态滑动的影响，本研究采用自主研发的块状岩体动态滑动试验系统。在恒定侧向剪切荷载、不同轴向荷载和石英砂粒径条件下开展冲击扰动试验。块
摘要
块状岩体在冲击扰动作用下易沿充砂节理发生动态滑动。节理法向约束和充填颗粒粒径共同影响其稳定性。为确定轴向荷载和颗粒粒径对动态滑动的影响，本研究采用自主研发的块状岩体动态滑动试验系统。在恒定侧向剪切荷载、不同轴向荷载和石英砂粒径条件下开展冲击扰动试验。块体位移演化经历三个阶段：静止孕育、快速滑动和减速至稳定状态。当轴向荷载从100 N增至400 N时，各粒径条件下残余滑移位移减小87.52%至90.12%。残余滑移位移随轴向荷载增加亦呈指数衰减规律。减小粒径同时降低滑动速度和残余滑移位移，但其影响随轴向荷载增大而逐渐减弱。粗粒与细粒条件下的残余滑移位移差值从0.460 mm缩小至0.030 mm。加强法向约束使颗粒层致密化并限制颗粒运动，导致含砂结构界面的动态滑移逐渐从显著受颗粒尺度影响转变为主要受法向约束控制。
论文解读
一、研究背景与科学问题
深部地下工程与资源开采通常处于高地应力和强烈动态扰动环境，沿岩石节理发生的滑移失稳是滑移型岩爆等动力灾害的重要诱因。天然岩体被节理、断层和层理等地质结构面切割成离散块体，形成块状岩体。作为力学弱面，岩石节理通过其接触状态和抗滑阻力直接控制相邻块体间的相对运动及岩体整体稳定性。南非深部矿山和金坪-II水电站深埋隧洞的现场证据表明，沿既有弱面或新生破裂面的剪切破坏，以及结构面控制型岩爆，是深部岩体重要的动力破坏模式。
自然岩石节理并非理想光滑接触面，常含有断层泥、角砾岩、矿物碎屑和砂粒等充填材料。粒状充填物的存在使节理剪切行为从简单的岩石-岩石摩擦转变为岩石-颗粒-岩石的复合相互作用。充填物的物理力学性质、颗粒形态、堆积状态和粒径分布均会影响界面剪切强度、变形特性和能量耗散过程。在深部工程开挖爆破、采动扰动及相关振动作用下，充填节理更易发生抗滑阻力瞬态弱化和累积滑动，可能危及围岩块体稳定性。
现有研究已考察了动静组合加载、表面粗糙度、法向应力、加载速率和循环扰动等因素对岩石节理动态滑动的影响，但主要集中于粗糙节理的动态剪切、动静组合扰动响应及块体滑移失稳机制。对于颗粒充填节理在变法向约束与冲击扰动耦合作用下滑移位移的演化规律，认识尚不充分。在颗粒尺度上，充填物不仅参与界面荷载传递和能量耗散，还可通过颗粒滚动、重排列、楔入和破碎改变节理滑动模式。已有研究关注了充填类型、充填厚度、颗粒形态和含水状态等因素，但在单一矿物充填条件下作为关键细观参数的粒径却被忽视。对于石英砂充填节理，不同尺寸颗粒在冲击扰动下的滚动、重排、楔入和破碎倾向可能存在差异，从而影响节理滑移位移和滑动后平衡状态。此外，轴向荷载的增加同时改变粒状充填物的堆积状态和界面接触状态，这些变化究竟是放大还是抑制石英砂粒径对节理滑移位移的影响，仍需进一步探究。
基于上述考虑，本研究以石英砂充填岩石节理为对象，采用自主研发的块状岩体冲击扰动试验装置，在不同轴向荷载与石英砂粒径组合下开展冲击试验，旨在回答充砂节理在冲击扰动下滑移位移如何随轴向荷载和石英砂粒径变化，以及增强法向约束如何影响粒径效应这一核心科学问题。研究结果可为理解颗粒充填节理的动态滑动机制和深部块状岩体滑移失稳提供试验基础。
二、试验系统与方法概述
研究人员采用自主研发的块状岩体冲击扰动试验装置开展物理模型试验。该装置包括轴向加载系统、冲击扰动系统、块状岩体模型框架和高频数据采集系统。轴向加载系统通过液压千斤顶施加100至400 N共7个水平的轴向荷载，提供节理法向约束；侧向剪切加载系统通过钢缆、低摩擦滑轮和悬挂重物对目标块体B2施加恒定侧向剪切荷载。冲击扰动系统采用高压气体推进方式，驱动气压为0.1 MPa，对应弹体平均冲击速度约2.7 m/s。试验模型由8个100×100×100 mm的大理岩立方块体串联组成，块体B2作为目标滑动块体，其两侧接触面构成充砂节理。采用4个石英砂粒径等级（6-8、8-16、16-26、40-70目）与7个轴向荷载水平组合，在恒定侧向剪切荷载下开展全矩阵试验。石英砂以等质量均匀铺设在目标块体两侧接触面上，并采用约0.2 mm厚的凡士林层固定颗粒。
三、主要研究结果
3.1 轴向荷载对冲击诱发块体滑动演化的影响
不同轴向荷载下B2块体的水平位移时程表明，各粒径条件下块体滑动响应均经历静止孕育、快速滑动和减速至稳定状态三个阶段。随着轴向荷载增加，位移曲线整体下移，快速滑动阶段斜率减小，最终残余滑移位移降低。轴向荷载对滑动起始时间影响较小，但对最大滑动速度和最终残余滑移位移影响显著。以6-8目石英砂充填为例，轴向荷载从100 N增至200、300和400 N时，残余滑移位移从1.189 mm分别降至0.672、0.266和0.121 mm，较100 N时分别减少43.48%、77.63%和89.82%。各粒径条件下，轴向荷载从100 N增至400 N使残余滑移位移减小87.52%至90.12%。残余滑移位移与轴向荷载的关系可用双参数指数衰减函数描述，衰减幅度参数a随粒径减小从2.5052降至约1.52 mm，而轴向荷载系数b保持在0.006364至0.007194 N?1的较窄范围内，表明粒径主要影响滑动响应幅值，而轴向荷载控制其整体衰减速率。
3.2 充填颗粒粒径对冲击诱发块体滑动演化的影响
相同轴向荷载下，减小石英砂粒径使位移曲线下移，最大滑动速度和最终残余滑移位移均减小。轴向荷载为100 N时，6-8、8-16、16-26和40-70目石英砂对应的残余滑移位移分别为1.189、0.992、0.810和0.729 mm，从6-8目变为40-70目时残余滑移位移减小0.460 mm，降幅达38.69%。当轴向荷载增至300 N时，各粒径条件残余滑移位移降至0.266、0.231、0.230和0.193 mm，粒径组间最大差值缩小至0.073 mm。这表明石英砂粒径对残余滑移位移的影响随轴向荷载增加而减弱。特征粒径与残余滑移位移在试验范围内呈线性关系，粒径敏感系数α随轴向荷载增加显著减小，拟合优度亦随之降低，表明高轴向荷载下各粒径条件间残余滑移位移差异变小，残余滑移位移对粒径的线性依赖性逐渐减弱。
3.3 轴向荷载与粒径耦合作用下的滑动行为
粗粒（6-8目）与细粒（40-70目）条件间残余滑移位移差值随轴向荷载增加而大幅缩小：100 N时为0.460 mm，200 N时仍有明显差异，300 N时显著减小，400 N时二者滑动响应趋于一致。这表明增大轴向荷载不仅直接降低残余块体滑移位移，还削弱了各粒径条件间滑动响应的差异。低轴向荷载下充填颗粒粒径是控制动态块体滑动响应的重要因素，随轴向荷载增大，法向约束逐渐占据主导地位，初始石英砂粒径的相对影响相应减弱。
四、讨论与结论
讨论部分从四个机制层面阐释了试验结果。关于冲击扰动下的动态卸载与滑动触发，轴向荷载增大促进节理闭合和颗粒重排列，使充填物向更低比容和更高相对密度状态演化，同时降低剪应力与法向应力之比，增大块体相对滑动所需克服的摩擦阻力。冲击扰动引起界面瞬态卸载，削弱颗粒接触压力和力链承载能力，当瞬时抗滑阻力低于侧向剪切力时块体即发生动态滑动。关于从颗粒滚动到互锁的转变，粗颗粒条件下单位面积承载颗粒和有效接触点较少，颗粒滚动、旋转和力链重排自由度较大；细颗粒条件下单位面积内颗粒数和潜在承载接触点增多，形成更分散的多点接触网络，相对位移需克服颗粒间摩擦、互锁和接触网络重构。关于动态滑动过程中的能量耗散机制，冲击能量在岩块振动、节理接触调整、充填物颗粒尺度变形和块体滑动之间重新分配，颗粒滚动、碰撞、重排列和接触网络重构是主要耗能途径。关于加强法向约束下粒径效应衰减的机制，轴向荷载增大使充填层致密化，承载接触点和颗粒互锁增加，限制颗粒滚动、旋转和位置重排，不同粒径条件下颗粒运动方式差异逐渐减小，接触状态和滑动响应趋于收敛。
研究结论如下：（1）节理动态滑动响应与轴向荷载水平密切相关。增大轴向荷载加强节理法向约束，提高界面摩擦阻力和能量耗散能力，显著减小块体滑动幅度。轴向荷载从100 N增至400 N时，各粒径条件下最终残余滑移位移减小超过87%。滑动响应对轴向荷载的敏感性呈非线性特征：低轴向荷载区间残余滑移位移快速减小，高轴向荷载区间逐渐趋于稳定。（2）充填颗粒粒径是控制节理动态滑动行为的关键因素。轴向荷载为100 N时，石英砂粒径从6-8目减小至40-70目使最终残余滑移位移从1.189 mm降至0.729 mm。较小粒径增加单位面积承载颗粒数和接触点数，通过颗粒间摩擦、局部楔入和接触网络重构加强对块体相对位移的约束；粗颗粒在冲击扰动下更易发生滚动和重排列，产生更显著的滑动响应。（3）耦合加载条件下，粒径效应受轴向荷载水平控制。轴向荷载从100 N增至400 N时，6-8目与40-70目条件间残余滑移位移差值从0.460 mm减小至0.030 mm。随轴向荷载增大，充填层逐渐致密化，颗粒滚动、旋转和位置重排受到限制，各粒径条件下接触状态和滑动响应逐渐趋同。粒径差异对块体滑动行为的影响在低轴向荷载下显著，而在较高轴向荷载水平下大幅减弱。
